在地球生命的历史长河中，一次次的内共生事件重塑了光合作用的蓝图。从吞噬蓝藻到拥有叶绿体，从一次内共生的红藻、绿藻，再到二次、三次内共生形成的纷繁藻类，它们的光合“心脏”——光系统I（PSI）与其捕光天线（LHCI）构成的超复合体，是如何适应不同环境、演化出独特结构的？尤其对于那些“身世”复杂、基因组混杂的生物，比如属于绿色谱系、但体内却流淌着“红色”基因的纤毛虫类光合鞭毛虫——Euglena gracilis （纤细眼虫），其PSI-LHCI的结构一直是一个未解之谜。这个谜题不仅关系到对E. gracilis 自身进化地位和光合适应性的理解，更是窥探光合系统在剧烈环境与基因组冲击下如何保持高效运作的关键窗口。
为了回答这些问题，一个研究团队在《SCIENCE ADVANCES》期刊上发表了他们的最新成果。他们利用单颗粒冷冻电镜技术，以2.23 Å的全球分辨率成功解析了E. gracilis 的PSI-LHCE（“E”代表Euglena ）超复合体结构，揭示了其前所未有的、由核心与16个外周天线组成的独特“熊掌”样结构。研究发现，这个超复合体具有绿色谱系的精简核心（仅8个亚基）和红色谱系特征色素（岩藻黄质，Ddx）的杂合特性，其16个LHCE天线通过形成6对紧密的异源二聚体环绕核心，展现出独特的双层排布和能量传递网络。这项研究不仅提供了E. gracilis PSI-LHCE的首个高分辨率结构模型，还为其独特的能量传递效率和绿色谱系经历次级内共生后的光合系统进化提供了坚实的结构基础，揭示了光合生物在适应演化中的巨大可塑性。
关键研究方法简述 ：研究人员首先从培养的E. gracilis （菌株FACHB-848）细胞中纯化得到PSI-LHCE超复合体，并通过光谱学和高性能液相色谱分析了其色素组成。随后，利用单颗粒冷冻电子显微术（cryo-EM）在配备能量过滤器和K3相机的Titan Krios显微镜上采集数据。经过运动校正、CTF估计和CryoSPARC软件处理（包括二维分类、异质性细化与非均匀细化），最终获得2.23 Å分辨率的密度图。模型搭建结合了来自数据库的序列、质谱鉴定结果、AlphaFold3结构预测以及手动修正。研究还进行了飞秒瞬态吸收光谱测量，以分析其能量传递动力学，并通过计算弗斯特共振能量转移（FRET）速率评估了可能的能量传递路径。系统发育分析基于从UniProt获取的LHC蛋白序列，使用MEGA X软件构建。
研究结果 ：
1. PSI-LHCE的整体结构
研究解析的E. gracilis PSI-LHCE超复合体由PSI核心和16个Ddx-Chl a/b结合蛋白组成的周质天线系统构成，整体形状从基质面看类似于“熊掌”。16个LHCE亚基排列成两个不同的天线带，其中12个为Lhca蛋白，4个为Lhcbm蛋白。整个超复合体包含24个蛋白亚基和367个辅因子，总分子量达770 kDa。
2. PSI核心复合体
E. gracilis 的PSI核心仅包含8个亚基（PsaA/B/C/D/E/F/J/M），丢失了在绿藻和高等植物中常见的PsaG/H/I/K/L/O/N等外围亚基。核心包含88个Chl a， 13个β-胡萝卜素（β-Car）和4个Ddx分子。特别的是，核心中发现的4个Ddx分子取代了其他绿色谱系生物PSI核心中相应位置的β-Car。此外，还鉴定出一个特殊的跨膜β-Car（PsaM/BCR201）和5个顺式（cis ）类胡萝卜素，其中一个顺式β-Car距离P700反应中心仅12.84 Å，可能具有光保护作用。研究还发现了两额外的质体醌（PQN3和PQN4），它们可能起到稳定天线与核心连接的结构作用。
3. LHCE亚基的位置和结构
16个LHCE亚基环绕PSI核心排列成两个天线带。在通常绿藻和植物中结合4个LHCI的PsaF/J侧，E. gracilis 被5个LHCE亚基取代；而在对侧的PsaB/M/A区域，则结合了11个LHCE亚基，形成了半圆形的双层结构。序列和结构分析表明，这些LHCE亚基具有典型的三个跨膜螺旋结构，但Lhcbm和Lhca蛋白在BC环区和C末端区域存在显著的结构差异。
4. PSI-LHCE中的六对LHCE异源二聚体
最显著的结构特征是在PsaB/M/A侧的两层LHCE亚基形成了六对紧密堆积的异源二聚体，这与其他绿藻和高等植物完全不同。这些二聚体由来自内层和外层的LHCE亚基通过“背对背”排列的C螺旋紧密连接，螺旋末端存在一个保守的氨基酸基序（EYWRGN），可能对二聚体形成至关重要。内层LHCE与PSI核心的相互作用主要通过LHCE 8、10与核心亚基（如PsaA、PsaD、PsaM）之间的氢键和疏水作用介导。
5. Lhcbm蛋白结构及其特殊的色素组成
Lhcbm蛋白（如LHCEs 3/4/5/14）和Lhca蛋白在色素结合上差异显著。所有Lhca天线蛋白只结合Chl a，不结合Chl b；而Lhcbm天线可以结合Chl b，其中LHCE 4可结合多达4个Chl b，是Chl a/b比最低的天线。所有LHCE均只结合Ddx作为其类胡萝卜素，而非绿藻和植物中的叶黄素（Lut）或紫黄质。LHCE 3结合了最多的色素（14个Chl a， 1个 Chl b， 4个Ddx）。色素结合位点大部分与高等植物和绿藻的LHCI保守，但存在一些特殊的Chl结合位点（如Chl a615， a618），可能在内外层天线间的能量传递中发挥作用。
6. 异源二聚体中的特殊Chl a603-a609对
在高等植物PSI中，Lhca3和Lhca4亚基内紧密成簇的Chl a603-a609二聚体是吸收远红光的关键“红色叶绿素”。在E. gracilis 中，每个LHCE也包含保守的Chl a603-a609对，但由于LHCE空间构象的改变，这些对子位于天线层之间或相邻LHCE的界面上。在异源二聚体中，两对Chl a603-a609呈平行四边形排列，距离非常近，且周围总有2-3个Ddx分子，暗示它们在层间能量传递或高光下的能量耗散中起重要作用。
7. PSI-LHCE超复合体中的能量传递
通过飞秒瞬态吸收光谱和FRET计算，研究人员分析了超复合体的能量传递。尽管E. gracilis PSI-LHCE的天线尺寸大于莱茵衣藻（C. reinhardtii ）的PSI-LHCI，但两者的整体激发捕获时间主成分均为~72 ps，表明E. gracilis 的光合量子效率高达96.5%，与莱茵衣藻相当。FRET计算揭示了从周质天线系统到PSI核心以及各天线单元之间的潜在快速能量传递路径。
研究结论与讨论 ：
这项研究揭示的E. gracilis PSI-LHCE结构，与一次内共生的绿藻、苔藓和植物相比存在巨大差异。其PSI核心更精简，但天线截面积更大，且缺乏了在绿藻和植物中作为LHCI与核心连接关键锚点的PsaG、PsaK等亚基，以及作为状态转换中LHCII停靠位点的PsaH、PsaL、PsaO等亚基。这表明，如果E. gracilis 存在状态转换，其机制可能与已知的绿藻和植物有根本不同。
研究提出了一个新颖的LHCE-核心结合模式：在核心亚基大量缺失的情况下，相邻的LHCE天线首先通过形成紧密的异源二聚体（依赖于保守的相互作用基序和空间构象变化）进行自我组装，然后由特定的LHCE（如LHCE 8和10）与剩余的核心亚基（PsaA、PsaD、PsaM等）建立锚定点，从而将整个庞大的LHCE模块连接到精简的核心上。这种天线-天线间的强相互作用，可能是驱动大量LHCE亚基与紧凑核心形成超复合体的主要因素。
在进化特征上，E. gracilis PSI-LHCE呈现出独特的“红-绿”杂合特性。其核心亚基和大部分色素与绿色谱系生物高度保守，但其16个LHCE天线组装成紧密二聚体的方式，以及其色素组成（同时包含绿色谱系的Chl a/b和红色谱系标志性的Ddx）都显示了杂交特征。核心中结合的4个Ddx和特殊的PsaM/β-Car与硅藻等红色谱系生物相似。此外，其天线系统具有显著的异质性，包含只结合Chl a的Lhca蛋白和可结合Chl b的Lhcbm蛋白，且不同Lhcbm蛋白结合Chl b的量也不同，表明在次级内共生过程中，Lhca蛋白几乎丧失了结合Chl b的能力，而Lhcbm蛋白则保留了类似绿藻和植物的Chl b结合能力。
总之，这项对经历次级内共生的绿色谱系生物E. gracilis 的PSI-LHCE所进行的2.23 Å高分辨结构解析，为了解绿色光合生物的演化提供了关键见解。其独特的蛋白亚基组成、天线尺寸与空间构象变化、以及杂合的色素网络，共同描绘了光合生物如何通过优化其蛋白质结构和色素网络来适应特定生存环境的生动图景，深刻揭示了光合系统在漫长适应与进化过程中所展现出的高度可塑性。
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